Tubería de presión la de palastro

Tuberías de presión:

Transporta el agua contenida en la cámara de carga y en estas tuberías se hace la conversión de energía potencial del agua contenida a energía cinética al fluir por las tuberías.La velocidad del agua y el tiempo de cierre del distribuidor de la turbina depende  de la intensidad de la sobrepresión debido al fenómeno de golpe de ariete (se debe tener en cuenta para determinar el espesor de la tubería).

Fenómeno de golpe de ariete:

Es una variación de presión en la turbina producida por fluctuaciones bruscas de caudal, este fenómeno ocurre:

Sobrepresión:

Cuando se disminuye bruscamente la carga que alimenta a la turbina y el regulador de la turbina se cierra rápidamente la admisión de agua produciendo una sobrepresión brusca (golpe de ariete positivo).

Depresión:

Cuando se aumenta la carga de la turbina se necesita más agua haciendo que el regulador se habrá bruscamente la admisión de agua provocando depresión brusca en la turbina.

Características de diseño:

Tendido de la tubería de presión debe adaptarse al perfil topográfico de su trazo mediante la construcción de apoyos de suspensión (partes rectas) y apoyos de anclaje (cambios de pendiente y dirección), diámetro:puede ser constante (para saltos de poca altura) o decrecientes (para turbinas de saltos regulares y gran altura) de arriba abajo.

Dimensionamiento de las turbinas de presión:

el diámetro debe ser tal que tenga las menores perdidas y el menor costo, el espesor debe ser calculado teniendo en cuenta los esfuerzos que debe soportar por golpe de ariete, el peso del agua y de la tubería y el material de mayor resistencia a los esfuerzos mecánicos.

Materiales de fabricación:

Para la selección de una tubería de presión se debe tener en cuenta el material utilizado, las pérdidas de fricción, la sobrepresión ante la posibilidad de ocurrencia del fenómeno de golpe de ariete, diseño de soportes, anclajes y uniones, dimensionamiento del diámetro.

Factores de selección:

Presión de diseño, tipo de uníón, diámetro y perdidas por fricción, peso y grado de dificultad de instalación, acceso al lugar, terreno y tipo de suelo, disponibilidad, mantenimiento, vida útil, condiciones ambientales, costos.

Metálicos:

cuya uníón entre tubos se efectuará por medio de bridas de hierro angular remachadas o soldadas.

Acero comercial:

Son los más utilizados para tubos de presión, fabricados por planchas de acero y soldadas en espesores y diámetros distintos por planchas de acero y soldadas en espesores y diámetros distintos, son resistentes a altos esfuerzos mecánicos, perdidas de fricción mediana, tiene un alto peso, vida útil mayor a los 20 años.

Hierro dúctil:

Son tubos de gran resistencia a esfuerzos mecánicos son pesados y en consecuencia de difícil montaje, unidas con bridas o espiga de campana.

Sintéticos:

PVC:

una de los mas usados en pequeñas centrales, bajas perdidas de fricción, bajo peso facilitando su transporte y montaje, resistente a la corrosión, generalmente enterrada para evitar impactos de rocas y la luz ultravioleta, con uniones de espiga de campana.

Polietileno de alta densidad:

otra posibilidad para pequeñas centrales, tiene bajas perdidas de fricción, facilidad de montaje, resistencia a la corrosión y exposición solar, con uniones mediante procesos térmicos y fusión a presión.

Resina de poliéster reforzadas con fibra de vidrio:

Son livianas, tienen bajas perdidas por fricción, tener mucho cuidado en su montaje debido a su fragilidad, enterradas para operación con altas presiones, uniones en espiga de campana y sello flexible.

Concreto:

Hormigón armado:

construidos con espiras de hierro (directrices) y por varillas de reparto (generatrices) fundidas en hormigón, para alturas menores a 60m utilizadas para grandes caudales, pequeños saltos y también cuando resulta más económica a una tubería metálica.

Especificaciones de montaje:

las tuberías que van instaladas sobre el terreno y adecuadas al perfil topográfico desde la salida de la cámara de carga hasta la entrada de la casa de máquinas trayectoria que se encuentra cambios de pendientes por lo que se recurre a la construcción de apoyos de suspensión y anclajes.

Apoyos de suspensión:

(soportan el peso de la tubería y el fluido además facilitan su desplazamiento por dilatación por variaciones de temperatura) utilizadas en tuberías que van montadas sobre el terreno, sueles llevar en la parte superior una plancha de acero en U empotrado para que pueda deslizarse el tubo con el menor esfuerzo de rozamiento, deben ser cimentados en terrenos firmes nunca en rellenos.

Es convincente efectuar canales de drenaje a lo largo de la tubería con la finalidad de no erosionar los cimientos de los bloques de apoyo de suspensión.Es importante calcular el maxiomo espaciamiento entre soportes en el tendido de una tubería con el objetivo de prevenir un flexionamiento o rompimiento usando como regla un apoyo de suspensión por cada parte estándar de tubería, las dimensiones del bloque se dan en función al diámetro de la tubería.

Para el cálculo de los apoyos se considera:

peso de la turbina con el agua contenida y el peso del apoyo, la fuerza de fricción entre el apoyo y el terreno.

Apoyos de anclaje:

(mantienen fija la tubería al terreno evitando movimientos en cualquier dirección, dándole peso y solides para absorber los esfuerzos producidos en un cambio de pendiente) bloque de concreto armado construidos en puntos donde hay un cambio de pendiente, variaciones de dirección o un cambio de diámetro en el trayecto de montaje de una tubería de presión con el objeto de fijarla sólidamente a terreno.

Tipos de diseño

Abierto y hacia afuera:

en los cuales la tubería esta sujeto al bloque mediante amarres de acero garantizando que no se desprenda del tubo.

Cerrado:

en el cual se envuelve el bloque completamente al tubo la cual dará estabilidad a los esfuerzos debido al flujo de agua que actuaran sobre el terreno.

Para su cálculo se debe considerar:

Peso de la tubería con el agua en su interior, fuerza de fricción entre tubería y los apoyos, fuerza por cambio de dirección, fuerza debido a cambios de temperatura, fuerzas en la junta de dilatación, fuerza debido al cambio de diámetro.

Perdidas por turbulencia:

El salto del recurso hídrico, para su transformación en energía mecánica mediante las turbinas, es menor que el salto real debido a las perdidas de carga producidas por la circulación de agua por las tuberías y por sus accesorios.

De cada elemento se obtiene una pérdida de carga y la suma de todos ellos dará una altura la cual se restara al salto bruto para obtener el salto efectivo de trabajo de la turbina, denominado salto útil.

Perdidas por fricción:

perdidas por rozamiento con las paredes de la tubería, paredes internas de las tuberías presentan irregularidades que dependerá del estado en el que se encuentra, tales irregularidades se expresan en términos de profundidad.

Válvulas:

Son elementos mecánicos que se cierran y abren con el fin de controlar el flujo de agua en las tuberías de presión. En pequeñas centrales de bajo salto se usan válvulas tipo compuerta, para saltos de los 30m a mas se instalas válvulas de tipo mariposa y para saltos mayores a 200m válvulas esféricas. Están ocupados con dispositivos automáticos de cierre para operar cuando la velocidad del agua sobrepase el limite máximo o cuando el caudal excede al del diseño de la turbina o se produzca embalamiento.

Válvula tipo compuerta:

Provista de un disco metálico, el cual puede desplazarse verticalmente dentro de la válvula, llevan el dispositivo by-pass que permite el paso del agua de una cara a otra cara del disco, equilibrando de esta manera las presiones en ambas caras de la compuerta.

Válvula tipo mariposa:

Mediante un disco metálico obtura la tubería girando sobre un eje diametral, es muy importante efectuar el cierre lentamente con el objeto de evitar sobrepresión en la tubería por el fenómeno de golpe de ariete, presenta inconvenientes de que no procuran un cierre hermético ni permiten utilizarlo para regulación a causa de las perdidas de carga y por que da lugar a vibraciones, también a consecuencia de las depresiones creadas dentro del disco se produce en ella el fenómeno de cavitación.

Válvula esférica:

Cuyo obtura tiene forma esférica y gira alrededor del eje horizontal, la perdida que se origina es mínima y su cierre hermético, no permite que este cierre sea rápida en caso de emergencia, funcionan como dispositivo de intersección o dispositivo de regulación de caudal, pudiendo soportar cargas altas en tuberías de gran diámetro.

2) CASA DE MAQUINAS:

es una obra civil dentro de la cual a través de un equipamiento electromecánico se da la conversión de la energía cinética que posea el agua en energía mecánica al ser inyectada a los alabes de las tuberías, energía que al ser transmitida al generador se convertirá finalmente en energía eléctrica, tal conversión se logra por los equipamientos: válvulas, turbinas, alternador, excitatriz, volante inercial y sistema de regulación de velocidad de la turbina.

Criterios de ubicación:

Es una de las partes más importantes de la central por las operaciones en que ellas se efectúan, es importante su ubicación y tiene los siguientes criterios:

 -El terrreno debe tener solidez y estabilidad para una cimentación del grupo generador que soporte los esfuerzos provenientes al ponerlo en funcionamiento.

-Debe estar cerca del rio, para volver el agua turbinada al curso del mismo, para que no se acumulen sedimentos en el canal de desfogue que disminuirá su capacidad de conducción.

-Área disponible para una ampliación futura, así como disponibilidad para el montaje de la subestación y estructuras para las salidas de los cables de energía.

-Facilidad de acceso y previsión contra incendios.

Disposición del equipamiento electromecánico:

La disposición del equipamiento del grupo generador en mini y micro centrales se presenta por el montaje de sus componentes sobre un eje horizontal en el cual se encuentran: la turbina, la excitatriz, disco volante vertical y el alternador.

Tiene un sistema de regulación de velocidad, el acoplamiento entre tubería y válvula, tablero de control y medición, la salida de los cables de energía hacia los transformadores, el sistema de grúa para el desmontaje del equipamiento para fines de mantenimiento o reparación y el canal para la salida del agua de la turbina al rio.

Ventajas de la disposición:

uso de rodamientos especiales, transmisión directa de potencia, revisión e inspección facilitada ya que los componentes del grupo generador se encuentran en el mismo piso, cimentaciones de mayor extensión superficial, compensación del momento inercial mediante el acoplamiento de un volante sobre el eje horizontal.

La válvula ubicada entre la tubería de presión y la turbina permite abrir y cerrar el flujo total de agua.Debido a la variación de la demanda de energía eléctrica, la potencia en el eje de la turbina también varia pero se mantiene constante la velocidad mediante un regulador.

El volante inercial:

mediante el cual se logra reducir sobrevelocidades y sobrevoltajes generados por enbalamiento de la maquina, esto permite reducir los esfuerzos eléctricos y mecnicos garantizando de esta manera su estabilidad, atenúa los efectos del fenómeno de ariete.

Alternador:

se encuentra acoplado en eje de la turbina, las componentes activa y reactiva de la energía eléctrica, la potencia activa es regulada variando el caudal en la turbina, mientras que la potencia reactiva produce variaciones de tensión.

La subestación:

es una instalación mediante el cual se eleva la tensión a la salida del generador para su transporte a través de una línea de transmisión hacia los centros de consumo, esta conformado por: transformadores de potencia, interruptores, accesorios de seguridad y equipamientos de medida y protección eléctrica.

Trubinas:

Son máquinas mecánicas el cual convierte la energía cinética del agua en energía mecánica la que es transmitida al rotor del alternador y para el aprovechamiento de salto de agua se tienen dos clases de turbina las de acción y las de reacción.

Turbinas de acción:

en el PELTON el agua actúa sobre el rodete por medio de una tobera en dirección tangencial, la facilidad de adoptar la velocidad tangencial de la rueda, hace que sea posible obtener el numero  de revoluciones adecuada para esta con lo que permite el acoplamiento con el generador eléctrico y obtener 60 ciclos por segundo. Opera con alto rendimiento para grandes saltos y bajos caudales.

Turbinas de reacción:

Las usadas comúnmente son las FRANCIS en esta el agua llega radialmente sobre el rodete y al atravesarlo se desvía en ángulo recto para descargarse en sentido paralelo al eje de rotación, sus elementos son: un distribuidor, un mecanismo de cierre, un rodete y un tubo de aspiración.

El distribuidor está formado por varias palas móviles posee un sistema de cierre con el cual la turbina conserva su rendimiento elevado aun cuando trabaje con admisión reducida.

Perdidas de trabajo en las turbinas:

estas determinan el rendimiento de la turbina, suman una cantidad de energía que reduce el valor de la energía teórica y por ello la maquina tiene un rendimiento entre 0.8 a 0.85 para turbinas de pequeña potencia.

Las turbinas pelton tienen un excelente rendimiento para cargas entre el 30 al 100% de su potencia máxima debido a esto se instalan pocas unidades de este tipo de turbinas.

La turbinas FRANCIS tiene un rendimiento optimo pero en un campo del 60 al 100% de su potencia máxima por lo que se debe instalarse un numero necesario de grupos para que individulamente trabajen con cargas no menores al 60% de su capacidad es decir con un buen rendimiento.

El rendimieto de la turbina Hélice decrece rápidamente al variar la carga por ello esta indicada su instalación en centrales que funcionen con salto y caudal casi constantes. Si estos factores varían se utilizara una turbina Kaplan cuyo rendimiento es excedente entre el 30 al 100% de su potencia max.

Alternadores:

maquina síncrona que utiliza como generador corriente alterna, su rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético principal del estátor.El rotor es alimentado por corriente continua, la cual produce un campo magnético constante que al cortar con las bobinas del estátor produce la fuerza electromotriz. El campo magnético del rotor es producido por una fuente de corriente continua.

La máquina síncrona esta compuesta por una parte fija (estátor) y una parte móvil (rotor) el cual puede ser de polos salientes o cilíndricos. Los generadores con rotor cilíndrico son de un numero reducido de polos y se acoplan a maquinas de alta velocidad. Mientras que el rotor de polos salientes tiene mayor numero de polos pero se acopla a maquinas de bajas velocidades.

Las turbinas hidráulicas trabajan a velocidades bajas por lo que se requiere un alto numero de polos para obtener la frecuencia deseada y por ello la construcción con polos salientes es carácterística de los generadores hidroeléctricos.

Aspectos en la selección de alternadores en pequeñas centrales:

carácterísticas eléctricas (debe especificarse potencia, factor de potencia, tensión de generación, numero de fases, conexión de los arrollamientos, regulación de tensión, velocidad nominal, rendimiento, clase de aislamiento), requerimientos de diseño (deben considerarse las perdidas mecánicas y eléctricas, eficiencia de la maquina, capacidad de sobrecar y de corto circuito, velocidad de empbalamiento) y fabricación del estátor (Tipo de material metálico de la carcaza, tapas, ventilador, rodamientos, el núcleo del estátor, conductores de arrollamiento estatorico ), pruebas eléctricas y mecánicas.

El roto será construido según la mejor practica moderna y provisto para poder resistir todas las sobrecargas y esfuerzos que se puedan presentar en caso de anormalidades o en caso de embalamiento.

Los alternadores deben tener un sistema de ventilación de circuito abierto y entre las pruebas mecánicas que son sometidas los alternadores tenemos: la prueba de sobrevelocidad, la prueba de alineación del eje de la turbina – alternador y la prueba de balanceo del rotor. Respecto a las pruebas eléctricas: prueba de aislamiento, prueba de eficiencia, prueba de sobrecarga, prueba de cortocircuito y prueba en vacío.